玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计

玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计

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时间:2018-07-10

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1、玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计摘要:为获得具有优良切割性能的刀具刃口曲线,采用理论建模和铲切试验相结合的方法,研究了玉米根茬铲切的过程。通过建立玉米根茬切割过程的动力学模型及能耗模型,揭示了最优滑切角与物料摩擦角之间的函数关系;根据玉米根体的结构特征将其划分为5区段,并由各区段物料的摩擦系数获取相应理论最优滑切角;根据切割刃与根茬切割位置的对应关系,设计出具有多级滑切角的刃口形式,并与具有固定滑切角的刃口实施了对比铲切试验。试验表明:多级滑切刃刀具的铲切性能最佳,铲切功耗为14.2J。关键词:切割设备,设计,优化,玉米根茬,滑切角,

2、切割刃口0引言随着石油、煤炭等不可再生资源的日益枯竭,生物质资源的开发和利用日益受到关注,据研究表明玉米根茬占玉米秸秆总量的12~15%,中国年玉米秸秆的产量近2.5亿t,以此推算每年将产生多达0.375亿t玉米根茬,这座巨大的可再生的生物矿藏埋藏于地下,经常被人们所忽视[2],多采用灭茬还田等低效处理方式加以应用,若能有效采收玉米根茬,将有助于缓解环境破坏和资源浪费的双重问题。一般来讲,铲切是收获土下作物的第一步,触土部件在土下推进铲挖,将承受着巨大的土壤阻力,是主要的功能消耗部件,因此铲具切割性能的优劣也将直接影响着机具的作业效率[3

3、-8]。为减小耕作阻力,降低作业功耗,农业机械中诸多切割部件的优化设计,都运用了滑切原理[4-13](如铧式犁,星形耙片,旋耕刀等),滑动切割可以促进在微观状态下呈锯齿状的刀刃的锯断作用,降低物料张紧拉断和剪切破坏的极限应力,对于纤维及质地不均匀物料的切割效果尤为显著[9]。材料的摩擦属性等多种因素影响着滑切过程的力学行为[10],文中拟揭示二者之间的关系,并以此为依据,设计并优化出具有变滑切角的铲具刃口,用以应对根土复合体的不同区段,有望减小切割阻力,降低机具作业功耗。1滑动铲切的理论模型通过建立玉米根茬的切割动力学建模,确定发生滑切的

4、理论临界条件,分析影响铲切性能的核心因素,并建立数学模型,为优化铲具刃口提供参考。1.1滑动铲切临界条件的确定玉米根茬侧根系发达粗壮而强韧,向四周生长,与土壤紧密结合,在土壤中形成了网状须根结构的根系土壤复合体。由于表层土壤干燥板结,内层土壤湿润粘附,外侧根系粗大,内侧根系细碎等诸多复杂因素,使得同一株根体的不同部位,也呈现出复杂各异的力学属性。为不失一般性,取根体内一质点M为研究对象,置于xoy平面内,并与刀具斜刃AB相接处,该刀具固定安装于收获系统上,在动力机具的牵引下,随同机车沿y轴方向平行推移(如图1所示),对根茬实施滑动铲切的过

5、程中,质点M沿着τ方向(斜刃切线方向)及n(斜刃法线方向)方向的质点动力学微分方程可描述为coscossin(sin)yNseyssreFFmaFFτmaaθθθθ???=????=?(1)式中,m为根茬质点M的质量,kg;θ为斜刃的滑切角[9-11],°;NF为质点受到斜刃的法向压力,N;sFτ为沿τ方向的摩擦力,N;ysF为沿y方向的摩擦力,N;ea为质点的牵连加速度,m/s2;ra为质点相对斜刃的加速度,m/s2。r质点M在斜刃AB的推动下具有沿y方向移动趋势,周围土壤颗粒会对其产生一个反向摩擦力ysF(图2),若质点M相对于斜刃产

6、生滑移时,则会受到沿着τ方向(图1)的滑动摩擦力tansNFτ=F?(2)式中,?为质点与刃口之间的摩擦角,°;将式(2)带入式(1)可得(tantan)NrFθ??=ma(3)由式(3)易知,在0NF>的情况下,只有当θ>?时,才有0ra>,质点M与刀刃之间方可自静止发生相对移动,即产生滑切动作[9-11]。2.2滑动铲切功耗模型的建立理想铲切情况为“原地切割”,即斜刃对根茬实施切割过程中,根茬的位置固定不动,刃口相对于根茬沿τ方向发生滑移,并沿y方向切出一根茬厚度[9]。如图2所示,若以一圆形代表根茬的切割断面,m和

7、n点分别代表滑切过程的初始接触点和终结分离点,m′表示滑切终结时初始接触点m的位置,则理想滑切所产生的各距离之间的几何关系可表示为cosDyθΔ=,brs=Dtgθ(4)式中,Δy为沿y方向的铲切距离,m;D为根须断面直径,m;brS为沿τ方向发生的相对滑移距离,m。考虑到机车在田间匀速行进,单个根茬与刀刃自接触至被切断,所消耗的平均时间可表示为ceytvΔ=(5)式中,ev为机车匀速行驶的速度(m/s)。另外,若假设根茬质点周围的物理环境均一,则在滑切过程中质点所受到的法向反力NF为定值,由式(3)易知ra也为定值,那么二者自相对静止至

8、滑切结束,所发生的相对滑切距离为212crrcs=at(6)式中,crs为相对滑切距离,m;ct为相对滑切的耗时,s。一般来讲,滑切角θ越大,切割阻力NF会随之减小,但在滑切过程中根茬相对于刃

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